材料物理性能 电

材料的电学性能材料的电学性能导电性能电荷长程迁移介电性能感应方式材料的导电性？导电电阻电阻率电导率能够携带电荷的粒子称为载流子金属、半导体和绝缘体中载流子——电子离子化合物中的载流子——离子

微观机理：材料中带有电荷的粒子响应电场作用发生定向移动的结果。欧姆定律电阻率和电导率欧姆定律：U=RIR表示导体的电阻，不仅与导体材料本身的性质有关，而且还与其长度l及截面积S有关，其值R＝ρl/S，式中ρ

称为电阻率或比电阻。电阻率只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是电阻率或电导率，电阻率的单位为Ω·m,Ω·cm,μΩ·cm。当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数σ即为电导率：电阻率ρ的倒数σ即为电导率，即σ=1/ρ，电导率的单位为S/m或Ω-1·m-1。工程上用相对电导率IACS%=σ/σCu%表征导体材料的导电性能。国际标准软纯铜电导率导体：ρ<10-3Ω·cm；绝缘体：ρ>108Ω·cm；半导体：ρ

值介于10-3～108

Ω·cm之间。金属导电理论经典自由电子论1900年德鲁特/洛伦兹1.经典自由电子理论（量子理论发展前）霍耳效应当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的电场，此现象称为霍耳效应。

kc表征霍耳场的物理参数：霍耳系数又因可得由式可见，霍尔系数只与金属中的自由电子密度有关。霍尔效应证明了金属中存在自由电子，理论计算与实验测定结果对典型金属相一致。jc电导率：经典电子论的局限性

经典电子论模型成功地说明了欧姆定律，导电与导热的关系。但在说明以下问题遇到困难：实际测量的电子自由程比经典理论估计值大许多；电子比热容测量值只是经典理论值的百分之一；霍尔系数按经典自由电子理论只能为负，但在某些金属中发现有正值；无法解释半导体，绝缘体导电性与金属的巨大差异。这些都表明经典电子论的不完善，其主要原因在于它机械地搬用经典力学去处理微观质点的运动，因而不能正确反映微观质点的运动规律。2.量子自由电子理论量子理论的一些法则

3.能带理论晶体的能带理论是在量子力学研究金属导电理论的基础上发展起来的，它的成功之处是在于定性地阐明了晶体中电子运动的规律。特征：不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动。原子核电子内层电子外层电子离子实价电子构成等效势场晶体的能带价电子的共有化使单个原子的价电子能级分裂，形成了能带。电子的填充规则电子填充在一系列准连续分布的能级上，服从泡利不相容原理，即依次从低向上填充，每一个能级上最多可填充2个电子；电子的分布服从费米-狄拉克分布：电子占据几率为1/2的能级位置称为费米能级，它反映了电子的填充水平。（表述一）电子的某一能级上的分布几率：费米分布函数0K时为一折线，在能量高于费米能量的区域几率为零温度的升高将使得少量能量较高的电子跃迁到高能级。费米能级金属、半导体及绝缘体的比较导带和价带重叠绝缘体的禁带一般大于5eV半导体的禁带一般小于3eV金属绝缘体半导体特征：最高占有带仅部分充满，即除了满带外，存在不满带。特征：电子恰好填满了最低的一系列能带，能量更高的能带都是空的，而且禁带很宽（5-10eV）。特征：禁带宽度较窄（0.2-3eV）。实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运过程中的散射：电子—电子(电子散射)电子—声子(声子散射)电子与杂质原子电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用金属中的电阻基本电阻0K下为零理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关。残余电阻 由经典自由电子理论得到：

由能带理论得到：为考虑晶体点阵对电场作用后电子的有效质量为Fermi面附近电子的平均自由程导电机制

当电子波通过完整晶体点阵时(0K)，将不受散射，电阻为0；为无穷大；在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子才受到散射，形成金属的电阻。可定义为散射系数，记为因此电阻率为与绝对温度成正比；杂质原子使晶体点阵的周期性破坏，增加散射系数的值；马基申定则为金属的基本电阻率，与温度有关；为化学缺陷和物理缺陷引起的残余电阻率，与温度无关。声子散射和电子散射杂质和缺陷上的散射反映了金属的电学纯度和完整性常常采用相对电阻率晶体越纯，越完善，相对电阻率越大，许多完整的金属单晶可得到高达2×l04的相对电阻率。对理想的金属（没有缺陷和杂质），其电阻率在绝对零度时为零；jc金属的电阻率随温度升高而增大；高温时金属的电阻率取决于，低温时取决于。4.影响导电性的因素温度的影响受力情况的影响冷加工的影响晶体缺陷的影响热处理的影响几何尺寸效应的影响温度对金属电阻的影响一般规律过渡族金属和多晶型转变铁磁金属的电阻-温度关系的反常一般规律1——理想金属晶体2——含有杂质的金属3——含有晶体缺陷的金属在室温和更高温度下，非过渡金属的电阻率：非过渡族金属的电阻—温度曲线电子-声子散射电子-电子散射电阻温度系数电阻—温度关系在低温条件下较复杂，室温以上则较简单。电阻温度系数0~T℃温区的平均温度系数在温度T时的真电阻温度系数为纯金属：α≈4×10－3过渡族金属，特别是铁磁性金属α较高Fe：6×10－3Co：6.6×10－3

Ni：6.2×10－3

过渡族金属过渡族金属的电阻可以认为是由一系列具有不同温度关系的成分叠加而成。过渡族金属的反常往往是由两类载体的不同电阻与温度关系决定的。过渡族金属多晶型转变多晶型金属电阻率与温度的关系线性关系只保持到350℃850~900℃出现了多晶型转变。空穴导电线性关系破坏受力情况的影响拉力的影响压力的影响在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ。对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。原因：金属在压力作用下，其原子间距缩小，内部缺陷形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化。为负为正正常金属元素kc

反常金属元素电阻率随压力升高而下降，如Fe、Co、Ni、Pt、Cu、Ag、Ti等。电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值，如碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属等。与压力作用下的相变有关R/R0R/R0p×10-8Pap×10-8Pa正常元素反常元素冷加工对金属电阻的影响冷加工变形使纯金属电阻率增加冷加工变形使一般固溶体电阻增加10-20%，使有序固溶体增加100%甚至更高对Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，Fe-Cr-Al等合金，冷加工变形则使电阻降低低温时用电阻法研究金属的冷加工更为有效晶体缺陷对电阻的影响晶体缺陷（空位、位错、间隙原子等）会使金属电阻率增加点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大对多数金属，当形变量不大时，位错引起的电阻率变化与位错密度变化之间呈线性关系空位、位错对一些金属电阻率的影响热处理对金属电阻的变化一般，淬火使晶格畸变，电阻增加，退火使畸变回复．电阻降低。当退火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水平；但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反又增大，原因是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。冷加工变形Fe的电阻在退火时的变化退火温度/℃1—形变量99.8%2—形变量97.8%3—形变量93.5%4—形变量80%5—形变量44%几何尺寸的影响随着钼、钨单晶体厚度变薄，4.2K时晶体的电阻增大薄膜试样的电阻率L——电子的散射自由程d——薄膜厚度小结金属导电的物理机制马基申定则影响金属电阻的因素合金的导电性

合金基础知识

固溶体的导电性金属化合物的导电性多相合金的导电性什么是合金？jc两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合（物理变化）而成具有金属特性的物质叫做合金。合金的特点：熔点低于任一组分的金属；硬度大，耐磨损；导电性低于任一组分的金属；具有较强的抗腐蚀性。由于合金的许多优于纯金属的性能，因而在实际应用中多使用合金。固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。固溶体

连续固溶体的导电性形成固溶体时，导电性能降低。即使是在低导电性的金属中溶入高导电性的金属溶质也是如此，但电阻随成分连续变化而无突变。对于连续固溶体，当组元A溶入组元B时，电阻由B组元的电阻值逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻。Ag-Au合金电阻率与成分的关系最大电阻率通常在50%浓度处原因：晶体点阵畸变；杂质对理想晶体的局部破坏；合金化对能带结构的影响；合金化对弹性常数的影响。Cu—Pd、Ag—Pd和Au—Pd合金电组率与成分的关系铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体，不仅电阻的极大值出现在较高浓度处，而且电阻也异常的高。原因：价电子转移使有效导电的电子数减小。低浓度固溶体的电阻率除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率增加，由溶剂和溶质金属的价数决定诺伯里-林德法则合金的导电性合金基础知识

固溶体的导电性

金属化合物的导电性多相合金的导电性金属化合物的导电性金属化合物的电阻率要比各组元的电阻率高，原子键和方式发生质的变化。中间相的导电性介于固溶体和化合物之间。温度升高，电阻率升高，但当超过熔点，电阻率反而下降。金属键PK离子键或共价键合金的导电性合金基础知识

固溶体的导电性金属化合物的导电性

多相合金的导电性多相合金的导电性多相合金的导电性是由组成相的导电性决定的但是计算多相合金的电阻率十分困难，因为电阻率对于组织是敏感的。多相合金电导率与组元的体积浓度呈线性关系

、

——组元的体积分数（+

=1）

对处于多相区每一合金的电导率可由极限浓度固溶体的和值的连线找出来。有限溶解度的合金的电导率变化kcT/℃

对于任意多相合金电阻率总是处于组元电阻率之间；电导功能材料导电材料电阻材料电接触材料用来传导输送电流的材料，如电线电缆等。Cu、Al及其合金，其电导率高、延展性好、阻抗损失小。绕线电阻：要求精度高，温度系数小，采用锰铜合金等。电热合金：要求能耐高温，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。纯金属材料合金材料复合材料用来减小接触电阻。广泛应用于大型电力系统、自动控制系统、通信系统中。电阻分析的应用通过测量金属材料电阻率变化来研究金属组织结构等变化的方法，称为电阻法。应用：研究合金的时效测定固溶体的溶解度合金时效的基本过程是固溶体内溶质原子的偏聚，形成过渡相和析出稳定相。脱溶过程，电阻显著变化，所以电阻分析是研究合金时效最有效的方法之一。

研究合金的时效测定固溶体的溶解度选定一系列不同成分的合金，分别在不同温度下淬火，并测量其电阻值，给出不同淬火温度下的电阻率与合金成分的关系。不同温度下电阻率随浓度变化及与状态图的对应关系半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结半导体材料及其能带导带和价带重叠绝缘体的禁带一般大于5eV半导体的禁带一般小于3eV半导体材料的导电性定义：分类：电阻率为（10-3~109

Ωcm）或禁带宽度（0.2~3eV）的一类材料。晶体半导体非晶半导体有机半导体元素半导体Si，Ge

化合物半导体GaN，InGaN，GaAs等金刚石、硅和锗的对比kc三者均为金刚石结构；禁带宽度分别为~5.4eV、~1.2eV和~0.7eV。在硅和锗中，一些电子在一般温度下就能受到热激发，越过禁带占据一些导电的能级。而当施加电场作用时，占据导带的电子就能引起电导。为半导体。只有在0K时，硅和锗才变得和金刚石一样，为绝缘体。硅和锗是两类十分重要的元素半导体元素半导体锗锗是一种稀散元素，在地壳中分布很分散，没有集中的矿藏。煤中含有微量的锗，煤燃烧后锗以GeO2

富集在烟道灰里，但含量也不高。将GeO2

收集、氯化、还原、提纯后可以得到金属锗。工艺流程长，不利于大批量生产。所以应用极为有限。硅硅资源十分丰富，仅次于氧列第二位硅的制备原料主要是石英砂。具有良好的热导率和高温力学性能、优异的半导体性质，可以稳定地制备大直径无位错的单晶。世界上几乎所有的集成电路都是单晶硅制成的，而且集成电路用硅占单晶硅整个用量的80%以上。此外，绝大多数的电力电子器件(可控硅、整流器等)、功率晶体管都是单晶硅制成的。硅是一种天然的电子元器件材料化合物半导体化合物半导体一般是由围绕周期表中IV族对称位置的元素组成的。GaAs砷化镓具有闪锌矿结构。也就是和硅、锗具有相似的结构。优点：工作温度较高，承受的电压较大，可以在更高的频率下工作，有较好的抗辐射能力等缺点：提纯和制备GaAs单晶比硅困难得多，GaAs的寿命也比较短。

GaAs目前只用于一些特殊的场合，如航空、航天领域等。砷化镓jcGaAs太阳能电池40%化合物半导体化合物半导体的优点是具有范围较宽的禁带和迁移率，可以满足不同场合的特殊要求在一些化合物半导体中，应用了非化学计量原理来产生杂质能级，此时组分的控制特别重要由于纯度的限制，化合物半导体发展较为缓慢。事实上，就整个半导体工业来说，材料工艺的限制一直是器件发展步伐缓慢的原因。尽管理论已经非常成熟。半导体材料的制备体单晶材料（如Si片）外延薄膜（如GaAs、GaN薄膜）直拉法、区熔法等化学气相沉积法、分子束外延法等第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带

导电机制

PN结2.导电机制本征半导体杂质半导体P型半导体N型半导体本征半导体“纯净”的半导体单晶体，即没有杂质和缺陷。本征激发的过程导带价带

0K时，导带中无电子，价带无空穴；一定温度下，一部分价带中的电子获得大于Eg的能量，跃迁到导带中去；在外电场作用下，自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。禁带宽度可以用实验方法测定在温度T

时，被激发到导带中的电子载流子的浓度ne

与禁带宽度Eg有关，当Eg>kT

时，半导体的电导率可以表示为于是，本征半导体的电导率可以写成实验测得的ln与1/T

之间的关系为一直线。由直线的斜率即可算出禁带宽度。对温度十分敏感：随着温度的升高，电导率呈指数增大，与金属正好相反对禁带宽度十分敏感：禁带越宽，电导率越低半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的空穴数决定的电子和空穴可以借助于热、电、磁等形式的能量激发产生，称为本征激发；相应形成本征半导体电子和空穴也可以借助于引进杂质元素而激发，称为非本征激发；相应形成非本征半导体(杂质半导体)杂质半导体杂质半导体半导体中的载流子是电子和空穴，这两种载流子都可以通过引进杂质的方法而获得如果杂质的引进导致了电子的产生，则相应形成的杂质半导体称为n型半导体如果杂质的引进导致了空穴的产生，则相应形成的杂质半导体称为p型半导体杂质半导体都是固溶体n型半导体p型半导体杂质中的电子容易脱离其原子的束缚而成为导电电子如V族杂质杂质中能够接受电子而产生导电空穴如III族杂质施主受主对Si和Ge来说As+4As+5掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量△ED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量△ED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带电子浓度增加掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量△EA<Eg

就可以产生自由空穴B受主杂质被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级受主能级位于靠近价带EV的禁带中空穴获得较小的能量△EA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴电子浓度分布空穴浓度分布受主能级电离使导带空穴浓度增加电子能量杂质半导体的特点掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但却能使导电能力显著增强。掺杂浓度越大，其导电能力越强。掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子导电。N型半导体P型半导体多子少子电阻率自由电子空穴自由电子空穴杂质半导体的电阻率随温度的变化关系第三节半导体的导电性

半导体材料及其能带导电机制

PN结U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动jc扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动n型p型耗尽层耗尽层U反向偏压使耗尽区加宽扩散>漂移正向偏压使耗尽区变窄Un型p型耗尽层耗尽层pn结二极管的整流效应PN结的特征：正向导通，反向截止。应用于逻辑运算电路之中。与PN结直接相关的半导体器件太阳能电池二极管发光二极管光探测器小结kc基本概念本征半导体掺杂半导体pn结电介质的定义与基本特征在电场作用下，能产生极化与电偶极矩，并存在有内电场的物质。物质电介质半导体导体是一类特殊的绝缘体。电介质导体高电场作用介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用。电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质的四大基本常数好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗。-----++

++++

+++----+-插入电介质束缚电荷在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。电介质的极化与极化相关的物理量电偶极矩极化电荷（束缚电荷）电极化强度P——电介质极化程度的量度，即束缚电荷的面密度。由极化而引起的宏观电荷电介质的极化机制电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子极化、原子（离子）极化、取向极化和空间电荷极化等。极化电子极化原子（离子）极化取向极化空间电荷极化诱导极化①电子极化在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-15—10-16s。E电子极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，正负电荷重心错开。感应偶极矩：电子极化结论同族元素：电子极化率由上到下增大；同周期元素：不定；电子极化率与温度无关；极化率为快极化：10-15–10-16秒，该极化无损耗，可逆。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：②原子（离子）极化离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介电常数n2因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。离子极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子极化(Ionicpolarization)。-q+qEE离子极化－离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩，也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。离子极化率与电子极化率几乎有相同的数量级；离子极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-13–10-14秒。jc离子极化结论③取向极化当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子取向极化。E极性分子固有偶极距极化建立时间：大于10-9秒，为慢极化。取向极化结论④空间电荷极化离子多晶体的晶界以及二维、三维缺陷处存在空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即带有空间电荷的正负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从而表现为极化。建立时间：10-2秒基本常数kc——

静态介电常数——

真空介电常数——

相对介电常数介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量。电容①介电常数（dielectriccoefficient）一些材料的介电性能材料相对介电常数介电强度/(kV·cm-1)真空1∞水78—纸3.51.4红宝石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3电木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化钛1000.6

一般电介质、压电体、热释电体、铁电体之间的关系如下图：电介质的特殊性能(一）压电性正压电效应－当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小呈线性关系。这种由机械能转换为电能的过程称为正压电效应。-+F+-+-F+--+逆压电效应－当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（或谐振），且应变大小与所加电场在一定范围内有线性关系，这种由电能转变为机械能的过程称为逆压电效应。+-+-++--

热释电性